소리의 진동으로 양자 정보를 저장한다? ETH 취리히가 선보인 하이브리드 양자 칩

트랜스몬은 iSWAP 연산과 제이nes-커밍스 상호작용을 이용해 기계적 상태에 게이트를 수행하며, 측정된 결합 강도는 g/2π = 296kHz입니다 . 특히 혁신적인 점은 공진 외(off-resonant) 큐비트-공진기 상호작용을 통해 빠른 제어 가능 임의 위상(Cϕ) 2-큐비트 게이트를 구현하는 새로운 프로토콜을 개발한 것입니다. 연구진은 이 프로토콜이 다른 물리적 플랫폼으로도 확장 가능할 것이라고 밝혔습니다 .

실증: 실제 양자 알고리즘 구동 성공

연구팀은 단일 큐비트 게이트와 제어 가능한 임의 위상 게이트로 구성된 범용 게이트 셋을 구현했고, 이를 기반으로 두 가지 벤치마크 알고리즘을 실행했습니다 :

• 양자 푸리에 변환(QFT): 이 아키텍처에 가장 이상적인 테스트였습니다. QFT는 임의의 제어 위상 게이트와 완전한 큐비트 연결성을 필요로 하기 때문입니다. HBAR 포논 모드의 긴 결맞음 시간은 알고리즘의 유휴 시간 동안 특히 유리하게 작용했습니다 .
• 양자 주기 찾기(QPF): 쇼어 알고리즘(인수분해)의 핵심 서브루틴으로, 시스템 상에서 성공적으로 구현됐습니다 .

게이트 충실도는 상태 준비-측정 오류 및 iSWAP 부정확성을 고려한 시뮬레이션 결과와 잘 일치했습니다 .

의의: 왜 기계식 메모리가 중요한가

이 연구는 기계식 공진기를 사용한 프로그래머블 범용 양자 컴퓨팅 아키텍처의 첫 번째 시연이라는 점에서 큰 의미를 갖습니다 . 기존 전자기 방식의 양자 메모리와 비교해 다음과 같은 핵심 장점을 제공합니다:

• 소형화 및 저장 밀도 향상: 기존 전자기 양자 메모리(공면 도파관 공진기, 3D 캐비티 등)는 부피가 크고 접근 가능한 모드가 제한적입니다. 반면, 단일 HBAR 칩은 훨씬 작은 면적에 다수의 고결맞음 조화 모드를 집적할 수 있어 저장 밀도가 획기적으로 높습니다 .
• 안정성과 결맞음 시간: 기계적(포논) 모드는 본질적으로 긴 결맞음 시간을 가지므로, 양자 정보의 임시 저장에 매우 적합합니다 .
• 양자 RAM(QRAM)으로의 길: 연구진은 이 결과가 "양자 랜덤 액세스 메모리와 같은 미래 양자 기술의 핵심 부품을 구축하는 길을 닦는다"고 명시적으로 밝혔습니다 .

현재 한계와 과제

현재 시연은 단일 트랜스몬 큐비트와 상호작용할 수 있는 포논 모드의 수에 의해 프로세서 크기가 제한됩니다. ETH 취리히 팀은 결맞음 시간 개선, 다양한 하이브리드 아키텍처 설계 탐구, 트랜스몬 상태 판독 속도 향상 작업을 적극적으로 진행 중입니다 .

결론: ETH 취리히 칩은 초전도 큐비트와 기계식(포논) 메모리를 결합한 하이브리드 시스템이 실제 양자 알고리즘을 실행할 수 있음을 증명했습니다. 이는 기계식 공진기가 기존 전자기 방식의 공간 및 연결성 한계를 극복할 수 있는 소형·고결맞음 양자 메모리의 실현 가능한 경로임을 보여주는 혁신적인 성과입니다.